用于提高锻炼器械上的训练的真实性的装置和方法

摘要

一种锻炼器械，包括环形致动器和机械能储存设备。连接结构可操作地将所述环形致动器连接到所述机械能储存设备。所述环形致动器的运动促使所述机械能储存设备的物理运动和能量储存。所述锻炼器械还包括电机。通信路径使在多个相关联的锻炼器械之间数据能够进行交换，使得所述多个相关联的锻炼器械上的多个相关操作者具有共同的体验。

权利要求

1.一种用于小组锻炼的划船器械，包括：

机械能储存设备；

经由连接结构耦接到所述机械能储存设备的手柄，其中所述手柄相对于所述机械能储存设备的相对运动促使所述机械能储存设备的运动；

经由传动装置耦接到所述机械能储存设备的发电机，其中所述机械能储存设备的运动利用所述发电机产生电信号；

与所述发电机电通信的电力负载组，从而所述电信号的一部分在所述电力负载组内消耗；以及与所述机械能储存设备、所述发电机和所述电力负载组通信的控制器，所述控制器具有用来调节所述电力负载组或所述发电机的特性以改变参与小组锻炼的相关联的桨手通过对所述手柄施加力而体验的负载的计算机可读指令。

2.根据权利要求1所述的划船器械，其中所述相关联的桨手正参与在模拟的多桨手船只中进行的、对抗与至少一个其他桨手共享的工作负载的小组锻炼。

3.根据权利要求2所述的划船器械，其中所述至少一个桨手是作为小组锻炼的一部分而操作另一划船器械的真实桨手。

4.根据权利要求2所述的划船器械，其中所述手柄配置为复现当所述多桨手船只是双人双桨赛艇或四人双桨赛艇之一时所使用的桨的手柄。

5.根据权利要求2所述的划船器械，其中所述手柄配置为复现当所述多桨手船只是双人单桨赛艇、四人单桨赛艇或八人单桨赛艇之一时所使用的桨的手柄。

6.根据权利要求1所述的划船器械，其中所述控制器还包括用于基于为小组锻炼选择的船只装置来调节所述发电机的响应的计算机可读指令。

7.根据权利要求1所述的划船器械，其中所述机械能储存设备是飞轮。

8.根据权利要求1所述的划船器械，其中所述发电机是电机。

9.根据权利要求2所述的划船器械，其中所述控制器选择性地修改所述桨手体验的负载以模拟所述多桨手船只的、受到所述多桨手船只中的每个桨手的个体作用力所影响的快速换挡、慢速换挡和恒定真实世界负载。

10.根据权利要求9所述的划船器械，其中所述控制器响应于所述多桨手船只中的每个桨手的个体作用力的总和来调节一个或多个传动系阻尼系数并且然后将一个或多个传动系阻尼系数应用于所述桨手所体验的负载。

11.一种划船锻炼器械，包括：

机械能储存设备；

经由连接结构耦接到所述机械能储存设备的手柄，其中所述手柄相对于所述机械能储存设备的相对运动促使所述机械能储存设备的运动；

配置为动态地向所述机械能储存设备的阻力补充增加的阻力的装置；以及与所述机械能储存设备和所述装置通信的控制器，所述控制器具有用于确定所述增加的阻力并且动态地且选择性地调节所述增加的阻力以改变参与小组锻炼的相关联的桨手通过对所述手柄施加力而体验的负载的计算机可读指令；以及所述划船锻炼器械的控制器与至少一个另外的相关联的划船锻炼器械的控制器之间的通信路径，所述通信路径允许将每个划船器械中施加的力施加到多桨手船只的共享负载。

12.根据权利要求11所述的划船锻炼器械，其中所述多桨手船只的共享负载是双人双桨赛艇或四人双桨赛艇之一。

13.根据权利要求11所述的划船锻炼器械，其中所述多桨手船只的共享负载是双人单桨赛艇、四人单桨赛艇或八人单桨赛艇之一。

14.根据权利要求11所述的划船锻炼器械，其中所述装置包括电力负载组。

15.根据权利要求11所述的划船锻炼器械，其中所述通信路径包括网络拓扑。

16.根据权利要求11所述的划船锻炼器械，还包括配置为提供所述至少一个另外的相关联的锻炼器械上进行的动作的视觉指示的装置。

17.根据权利要求11所述的划船锻炼器械，还包括用户交互装置，所述用户交互装置配置为提供所述至少一个另外的相关联的锻炼器械上进行的动作的听觉指示的装置。

18.一种操作锻炼器械的方法，包括：

提供一种锻炼器械，所述锻炼器械包括：

机械能储存设备；

经由连接结构耦接到所述机械能储存设备的手柄，其中所述手柄相对于所述机械能储存设备的相对运动促使所述机械能储存设备的运动；

经由传动装置耦接到所述机械能储存设备的发电机，其中所述机械能储存设备的运动利用所述发电机产生电信号；

与所述发电机电通信的电力负载组，从而所述电信号的一部分在所述电力负载组内消耗；以及与所述机械能储存设备、所述发电机和所述电力负载组通信的控制器，所述控制器具有用来调节所述电力负载组或所述发电机的特性以改变参与小组锻炼的相关联的桨手通过对所述手柄施加力而体验的负载的计算机可读指令；

确定期望的负载；

调节通过所述电力负载组的电流值以产生相关联的操作者所体验的期望的负载；以及在所述电力负载组处消耗所述电信号。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括提供通信路径的步骤，其中所述通信路径使得所述锻炼器械能够与至少一个另外的相关联的锻炼器械通信，其允许将每个划船器械中施加的力施加到多桨手船只的共享负载。

20.一种用于改装现有划船器械的套件，所述套件包括：电机；

机械能储存设备；

用于将所述电机耦接到所述机械能储存设备的传动装置；

要耦接到所述电机的电力负载组；

控制器，所述控制器要放置为与所述电机和所述电力负载组通信并且具有用来选择性地调节所述电机或所述电力负载组的操作以提供所述划船器械的用户所体验的负载的动态选择性改变的计算机可读指令；以及与所述控制器通信的电子存储器，所述电子存储器包含具有多桨手船只的负载特性以向一个或多个相关联的划船器械提供共享的负载的计算机可读指令，其中所述套件部件用于改装相关联的现有锻炼器械，从而使得所述相关联的现有锻炼器械的现场升级能够与至少一个另外的相关联的锻炼器械通信，其中所述相关联的锻炼器械中的总阻力被复现到另外的相关联的锻炼器械中，使得操作所述锻炼器械的第一桨手和操作所述另外的相关联的锻炼器械的第二桨手作为虚拟团队来操作。

21.一种采用套件来改装现有划船器械的方法，包括：提供现有划船器械；

从所述现有划船器械移除飞轮、阻尼器和机械气窗；

提供用于改装现有划船器械的套件，所述套件包括飞轮、电机、电力负载组、传动装置和控制器；

将所述飞轮附接到所述现有划船机器械；

将所述电机附接到所述现有划船机器械；

将所述电力负载组附接到所述现有划船机器械，其中所述电力负载组耦接到所述电机；

将所述传动装置附接到所述电机与所述飞轮之间；以及

将所述控制器放置为与所述电机和所述电力负载组通信，所述控制器具有用来选择性地调节所述电机或所述电力负载组的操作以提供所述划船器械的用户所体验的负载的动态选择性改变的计算机可读指令。

说明书

用于提高锻炼器械上的训练的真实性的装置和方法

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求于2015年4月20日提交的美国临时申请No.62/149,869的权益，其全部公开内容通过引用合并于此。

技术领域

[0003] 在各种实施例中，本公开一般涉及锻炼器械(exercise machine)，并且更具体地涉及通过允许可定制负载曲线(load profile)的机构来消耗能量的锻炼器械、以及具有使得锻炼活动能够同步的互连能力的锻炼器械。

背景技术

[0004] 许多体育活动需要团队成员的协同动作。本文中，我们称这种活动为“协同运动”。为了在协同运动中具有竞赛力，团队成员必须培养技能、力量和耐力，并学会协同他们的作用力。协同作用力的一个示例是：团队划船期间的非常相似的时机、持续时间和力量的划桨表现。另一个示例是：串座自行车骑行期间的踏板行程的协同。本文中，将频繁参考划船运动以及与划船相关的锻炼器械，但这样的参考是说明性的，而非是限制性的：其他的运动、非运动活动、以及锻炼器械的类型也是可预期的，并且在本公开的范围内。

[0005] 可以通过现场锻炼来训练团队，例如，在水面上实际地划船；然而，由于季节性、天气以及现场锻炼的其他限制，在实践中，运动员通过在训练器(即具有对所讨论的运动的一个或多个方面加以模拟的机械结构的固定器械)上进行全面地锻炼来准备和补充现场锻炼。典型的训练器包括一个或多个用户在其上搁置身体和/或在其上动作的机构(例如，踏板、桨、座椅)、以及一个或多个典型地是可调节的、将能量负载施加于用户的消耗机构(例如，空气翅片、摩擦垫)。典型的训练器还包括对运动中的一个或多个运动员的惯性、以及船只、自行车或其他传动装置的惯性加以模拟的惯性机构(例如，飞轮)。

[0006] 训练器最常见的是为了容纳单个运动员而制造的。单用户训练器不支持在给定运动的协同方面对团队成员的训练，而当仅有单用户训练器可用时，在该运动的协同方面的训练只能发生在现场锻炼中。为了克服这个问题，现有技术已经研发了团队训练器，同时容纳两个或更多运动员的相对较大的器械。例如，在美国专利No.8,622,876中公开的划船模拟器，其描述了用于多达八名桨手同时训练的单桨划船器械的机械联动。然而，在这个示例中，消耗负载(例如，划船机)由每个运动员来驱动：因此，一名运动员的表现不会动态地影响其他运动员在多用户训练器上所处理的负载。在另一个示例中，在美国专利No.8,235,874中公开的模拟划船器械，其描述了单桨划船器械的联动，以便包括每个桨手与每个其他桨手的阻力和恢复机构的机械耦接，使得船员能够以现实的方式调整其力量应用。

[0007] 针对协同(即团队)训练的现有技术的局限性包括但不限于以下内容：(1)运动员在孤立的器械上操练(例如，在单独空间中但不是机械连接的、或在不同的地理位置)，不能接受到关于他们运动的协同方面的训练。(2)由团队训练器训练的所有运动员必须在共同的位置和时间集合，来使用该团队训练器。这需要由所有运动员来到该共同位置，并且需要繁重的时间表的协调。如果一个或多个团队成员不能在共同的位置和时间出席，那么就不能进行全队协同的训练。(3)训练场地必须容纳庞大的团队训练器，对于N人训练器而言，其最大尺寸将近似于是单人训练器的N倍的数量级。(4)现实的团队训练器相比于个体训练器而言在每一运动员的基础上要昂贵得多。

[0008] 因此，锻炼器械使得一个或多个运动员能够接受关于他们的运动的协同方面的现实的训练而无需多个运动员在单独位置集合的这种技术是所期望的。此外，需要这种锻炼系统是负担得起的并且是紧凑的。

发明内容

[0009] 技术问题

[0010] 根据现有技术构造的锻炼器械通常设置有能量消耗(即，负载)设备，该能量消耗设备采用摩擦、气体和/或液体阻尼效应，并且在初始调节之后(例如，贯穿整个给定的锻炼阶段)其能量消耗的速率是近似固定的。另外，这种锻炼器械通常包括有限的阻尼可变性。另外，这种锻炼器械(本文中也被称为“训练器”)要么固有地为单用户的(即，缺少与其他锻炼器械通信的、可以用来为操作者提供共同或“团队”体验的装置)，要么为了为操作者提供共同体验，要求将多台器械机械地联动成一个相对较大的多用户组装件，并且要求操作者在单个设施处集合以便使用这种多用户组装件。此外，这种组件之间的模拟实时竞赛要求多个组装件的共同定位，典型地是昂贵且不切实际的提议。出于这些和其他原因，期望对锻炼器械改进。

[0011] 解决问题的技术方案

[0012] 所公开的装置和系统的各种实施例通过使运动员能够在彼此相距很远的独立的锻炼器械上以近似出在真实物理装置(例如，赛艇外壳)上联合锻炼的体验的方式进行联合锻炼，从而超越了现有技术的限制。此外，所公开的各种实施例使运动员能够与模拟的运动员一起或对抗训练。所公开的实施例呈现的一些其他优点将在下文中同时参考附图进行描述。

[0013] 各种实施例用电机(发电机)代替现有技术的消耗机构，所述电机的电力输出主要由阻性电力负载消耗。各种实施例包括恩额外的计算、通信和其他的方面。在各种实施例中，一个或多个计算方面从锻炼器械的各部分遥测收集测量信息；向锻炼器械的可控方面(例如，电机、阻性负载)发出命令；(例如，通过网络)与包括但不必限于以下中的一个或多个的各种设备进行信息上的通信：(1)其他锻炼器械；(2)服务器，其能够收集并存储关于多个锻炼器械及其操作者的数据，并且协同多个锻炼器械的行为；(3)其他计算设备，包括由一个或多个教练和/或具有独特角色的团队参与者(例如，舵手)所操作的设备；以及(4)生理测量信息的来源，诸如可穿戴运动监视器或活动跟踪器。各种实施例的计算方面包括以下软件能力：(1)计算并且记录团队和个体操作者的表现；(2)对操作者和团队表现进行评级以及其他方面的分析；(3)在算法上将一个或多个处于无联系的物理位置的操作者的组合建模成一个或多个“虚拟团队”，该“虚拟团队”的成员的作用力以模拟施加于特定装置(例如，划四人双桨赛艇)的联合作用力的方式影响着一个或多个操作者所体验的负载；(4)在数值上模拟一个或多个“模拟操作者”的作用力(例如，划桨时机、力量和持续时间)以及这些作用力对真实操作者和其他模拟操作者所体验的负载的影响；以及(5)计算真实操作者和模拟操作者组合的表现，以便个体操作者可以作为完整团队中的一部分进行训练，或者一个虚拟团队(完全真实或部分或完全模拟的团队)可以与一个或多个其他团队(完全真实或部分或完全模拟的团队)竞赛。模拟操作者的表现特征构成了一组可调参数，该组可调参数可以是基于所测量的真实操作者的特征的、选自于资料库的、自定义指定的、随机生成的或以其他方式指定的。

[0014] 另外，各种实施例包括向操作者呈现视听反馈的设备，所述视听反馈可以补充由锻炼器械的机械负载提供的反馈：例如，划船机械操作者可以面对提供视觉和/或听觉提示的设备，所述视觉和/或听觉提示诸如领头桨手的视听表现、舵手(真实的或模拟的)语音的声音、提供运动的视觉指示的景象、表现指标(例如，划桨速率、操作者力量输出)等。可以是有益的是，提供给作为一个团队训练的多个操作者的视听反馈由计算设备进行协调，从而为操作者提供一致的提示。在一些实施例中，视听反馈由虚拟现实设备(例如，Oculus Rift)提供给操作者，以给训练体验赋予高度的精神物理上的真实性。在一个示例中，虚拟的船员团队中的桨手们(其中的每一个体都距离彼此几百公里的距离)共享虚拟现实，其中每个操作者在虚拟船只中占有一定的视角，并且在算法上根据操作者的物理作用力确定该虚拟船只(以及可能的竞赛虚拟船只)在虚拟现实中的运动。

[0015] 在各种实施例中，所公开的装置包括由一个或多个操作者驱动并向负载(例如，一组电阻器)供电的电机(例如，线性或旋转发电机)。关于为操作者提供负载，电机及其负载组大致对应于根据现有技术构造的锻炼器械的消耗负载机构。这种现有技术的消耗机构包括(1)活塞机构，其中负载由附接到手柄的液压缸来提供；以及(2)制动的飞轮机构，其中负载由使用摩擦垫、电磁体、气翼、水桨或其他消耗性设计加以制动的飞轮来提供。在本公开的各种实施例中，以类似于阻力液压缸的方式采用线性电机或者以类似于飞轮负载的方式采用负载馈送旋转电机。

[0016] 在各种实施例中，消耗由发电机产生的电力的负载可以包括一个或多个将能量消耗为热量的电阻器。电力负载中的一个或多个电阻器在本文中统称为“电力负载组”。在一个示例中，电力负载组的净电阻是固定的，并且通过该负载组的电流与所需的负载成比例地变化。替代地，电力负载组的净电阻是可通过从系统控制器发送的信号进行调整的：例如，继电器可以连接或断开电力负载组中的电阻器，从而增加或减少提供给操作者的机械负载。附加地或替代地，电力负载组可以包括连续可变阻性元件(例如，电位器)。各种实施例可以对阻性和其他的电力负载附加地或替代地包括诸如摩擦制动器和流体搅拌机构的非电力负载。

[0017] 在包括飞轮和作为旋转电机的他励交流发电机的各种实施例中，飞轮通过传动机构(例如齿轮箱、公共轴或链轮和滚子链)耦接到旋转电机，其由飞轮来驱动。交流发电机的力矩Telec由交流发电机的电枢与励磁电路之间的互感Laf、交流发电机的电枢电流Iarm、以及交流发电机的励磁电路电流Ifld确定。电力负载组(电阻R)与交流发电机的电枢电路串联。因此，在这样的实施例中，对锻炼器械操作者受到的负载有所贡献的Telec可以通过改变R、Iarm以及Ifld中的至少一个来调节。

[0018] 附加地或替代地，在各种实施例中，旋转电机的部件可以被增加负重，以便增加电机的惯性力矩，使电机能够充当附加的飞轮或者作为系统的唯一飞轮。此外，附加地或替代地，飞轮和/或旋转电机可以具有可控惯性矩(例如，可合并将质量朝着或远离旋转轴线移动的装置)。

[0019] 本文中，术语“用户”、“操作者”和“运动员”互换使用。

[0020] 有益效果

[0021] 本公开的各种实施例将负载控制与联网通信和基于模型的负载控制相结合以超越现有技术的缺点。各种实施例具有将在单个位置或多个位置处的操作者组合成一个或多个虚拟团队的能力，该虚拟团队中的每人体验变化的负载，该变化的负载真实地近似出在共享的物理装置中(例如，在水面上的船中，或者在具有负载联接的多用户训练器中)将会具有的体验，该能力克服了现有技术中对团队成员在共同的位置集合来练习他们的运动的协同方面的要求。由于各个器械是在信息上联接的而不是机械地连接的，如果所有的团队成员确实在共同的时间和地点进行集合，就不需要为如现有技术中的大型多单元组装件寻找空间以便以联接的方式来锻炼：在一个示例中，分散在一个房间的划船机可以作为一个多单元训练器来操作。

[0022] 如参考附图会更清楚是，本公开的一些实施例提供的某些功能与现有技术相比是完全新颖的。在一个示例中，在各种实施例中，单个操作者可以作为一团队中的成员练习，该团队的其他成员都是模拟的。在进一步的示例中，不论多个操作者的物理位置如何，多个操作者可以：(1)利用现实表现/负载联接作为完整团队一起练习；(2)以真实操作者和模拟操作者的组合(例如，如果没有足够的真实操作者来组成一个完整的团队，则团队替补可以由模拟操作者补充)来练习；(3)由用户(例如教练)以各种方式组合成替代的团队阵容，而无需操作者改变位置或甚至无需脱离器械；(4)与真实或模拟的团队竞赛，而不论任何操作者的位置如何。此外，可以通过适当操纵锻炼器械负载(例如，分别为：在加速期间较高的负载；在划船或骑行中在较高速度下较高的水和/或空气阻力负载值；在划船或骑行中在逆流或骑行上坡时的较高负载)来模拟团队作用力不同阶段的物理性质。在进一步的示例中，本公开的实施例既可以增强对传统团队划船的训练，又可以以对熟悉这些运动的人员清楚的方式来扩展竞赛室内划船的既定运动。

[0023] 通过参考以下描述、附图和权利要求，本公开的这些和其他目的以及优点和特征将变得更加显而易见。此外，应当理解的是，本文描述的各种实施例的特征不是相互排斥的，并且可以以各种组合和排列的形式存在。此外，在本技术的一个或多个示例中，特定特征、结构、例程、步骤或特性可以以任何合适的方式组合。另外，虽然单用户训练器在本文中频繁被引用，多用户训练器也可以被类似地并入在本公开的实施例中。所有这些变化都是预期的，并且在本公开的范围内。

附图说明

[0024] 在参考以下附图阅读以下描述后，本公开的前述和其它方面对于本公开所涉及的领域的技术人员将变得显而易见：

[0025] 图1是根据一种形式的现有技术的单用户锻炼系统的示意图；

[0026] 图2是根据本公开的至少一个方面的说明性锻炼系统的示意图；

[0027] 图3是本公开的至少一个实施例的示意图，示出了对图1的锻炼系统添加改装套件以转换到图2的锻炼系统；

[0028] 图4A是包括许多个锻炼系统的示例性分散式网络的示意图，每个锻炼系统类似于图2的锻炼系统；

[0029] 图4B是图4A的网络中的示例四成员团队的示意图；

[0030] 图5是包括许多个锻炼系统的示例性集中式网络的示意图，每个锻炼系统类似于图2的锻炼系统；

[0031] 图6A是图2的示例性锻炼系统的侧视图；以及

[0032] 图6B是图6A的锻炼系统的、包括附加部件的示意图。

具体实施方式

[0033] 在附图及其讨论中，公开了使得能够构建改善个体和团队训练的方面的锻炼器械的系统和方法。这些系统和方法能够提供多个锻炼器械之间的联网通信，以向器械用户提供共同的锻炼体验，该体验模拟了单个运动装置的联合操作或者具有分离的运动装置的共同环境中的操作的各个方面。这些系统和方法所应用的锻炼器械的类型包括但不限于：划船机、固定自行车、椭圆机和越野滑雪机。本公开主要描述了锻炼器械为划船机的示例性情况，但是这种使用并不意味着限制。在附图中，为清楚起见，必要性或实用性对熟悉锻炼器械和其他相关设备的设计和操作的人员是清楚的某些特征被省略；例如，没有描绘用于对交流发电机布线或用于插入主电源的详细规定，并且没有描绘对各种锻炼器械的力传动机构标准。附图的重点在于阐明本公开的实施例的特征。

[0034] 图1示意性地示出了根据现有技术的一种形式的说明性单用户锻炼系统100的各部分。用户或运动员102操作锻炼器械104。锻炼器械104包括力机构106、惯性机构108，以及阻尼机构或负载110。力机构106在运动员102的身体与锻炼器械104的其他部分之间传递力：在一个示例中，在固定自行车中，力机构106包括座位、车把、踏板、链轮、链条和其他部件。在另一个示例中，在划船机中，力机构106包括座椅、踏脚板、把手和其他部件。惯性机构108典型地包括飞轮，并且通过模拟运动员(例如，骑自行车的骑手、船只上的桨手)利用移动运动装置而运动的惯性来平稳锻炼器械的操作。负载110，其典型地是可调节的，模拟运动员移动运动装置所体验的消耗性的和可能的其他负载(例如，空气和/或水、摩擦、上坡行程的阻力)。呈现图1所示的典型锻炼系统100的示意图或分解，以阐明随后的附图和讨论，但是其在某种程度上是任意的，并且其他示意图也是可能的。

[0035] 图2示意性地示出根据本公开的实施例的说明性锻炼系统200的各部分。运动员202操作锻炼器械204。锻炼器械204包括力机构206、惯性机构208、电机210(例如，线性或旋转发电机)、阻尼机构或负载212、计算机设备214、以及用户接口设备216。在各种实施例中，电机210可以是任何合适的设备，包括但不限于：他励电机、交流感应电机、永磁交流电机、或刷式或无刷直流电发动机。力机构206在运动员202的身体与锻炼器械204的其他部分之间传递力。惯性机构208可以包括飞轮。电机210通过传动机构(未示出)耦接到惯性机构
208，并且构成惯性机构208上的机械负载。在各种实施例中，惯性机构208和电机210被集成为单个设备(例如，具有适当高的惯性矩的旋转电机)。

[0036] 负载212包括用作消耗或吸收由电机210产生的电能的电力负载。在一个示例中，电力负载的大小是可调的。在各种实施例中，负载212包括电阻器、电池、AC/DC转换器和/或DC/DC转换器、以及锻炼器械204或其他设备的各种被供电的部件。

[0037] 用户接口216包括向运动员202传送信息的音频、视觉和触觉装置中的一个或多个，其中这样的信息可以包括运动员表现的度量(例如，划桨速率、力量输出)、运动员生物测定(例如，心率)、视听表示或模拟(例如，虚拟现实)、音频(例如，语音、旋律提示)等。用户接口216还包括从运动员202输入信息的一个或多个装置(例如，语音输入、键盘输入、触摸屏输入、基于眼球运动的交互等)。

[0038] 计算机214包括数据收集能力、计算能力、控制能力、通信能力和存储能力。计算机214的数据收集能力接收来自与锻炼器械204的各部分通信的传感器(未示出)的信号。在图
2中，虚线箭头表示信息传输路径(区别于由实箭头表示的机械和电能传输路径)。因此，计算机214从力机构206、惯性机构208、电机210、负载212和接口216接收感测信息，并(通过其控制能力)传输控制命令至力机构206、惯性机构208、电机210、负载212和接口216。计算机
214的控制能力使其能够命令改变锻炼器械204的各种部件的状态。例如，计算机214可以传输使电机210的绕组中的励磁电流增大或减小、从而改变由电机210施于惯性机构208上的力矩、并且最终改变运动员202感觉到的机械负载的信号。在另一个示例中，计算机214传输使负载212的阻性部件增大或减小、从而改变电机210上的负载、并且最终改变运动员202感觉到的机械负载的信号。

[0039] 计算机214的通信能力使其能够与网络230交换信息。所述通信能力能够通过一个或多个有线信道和协议、一个或多个无线信道和协议、或所述两者来进行信息交换。在一个示例中，所述网络230包括许多个类似于锻炼器械204的并通过有线或无线信道互连的锻炼器械，其中器械204和与其通信的器械作为网络拓扑中的通信节点。在另一个示例中，所述网络230为因特网。通过网络230，计算机214可以与类似于锻炼器械204的器械、通用计算设备、以及能够通过网络230进行信息交换的其他设备进行信息通信。在一个示例中，锻炼器械204通过网络230与由运动员佩戴的可穿戴传感器设备进行通信，从而获取生物测定信息(例如，心率)并且在计算机214的计算和存储能力中利用这样的信息。

[0040] 锻炼器械204能够经由网络230与典型地也彼此间通信的M-1个其他的类似锻炼器械(在图4A中最佳地示出)进行通信。锻炼器械204和与其联网通信的所述M-1个锻炼器械一起构成M个锻炼器械的联网组。联网组成员的数量可以随时随刻地变化。

[0041] 如参照下文说明性实施例将会清楚的是，计算机214的计算能力实施计算算法，本文中称作“团队算法”。所述团队算法接受来自器械204的各部分的测量的电量和机械量作为数字输入(例如，飞轮的旋转速度、飞轮的加速度、阻性负载两端的电压、发电机绕组中的电流)。这些测量的量为诸如使得能够估计运动员202所使出的实时作用力、以及可能的其他量。团队算法还接受存储于计算机214的存储能力中的许多数字参数作为输入。这些参数可以表示假想的装置(例如，特定类型的船只)的物理特性、给定锻炼器械的物理特性(例如，飞轮的惯性矩)、运动员的物理特性(例如，质量)以及其他变量。所述团队算法还可以接受表示N个运动员(N>1)的活动的实时数据作为输入，所述N个运动员中的一个可以是锻炼器械204的操作者。活动数据被输入至团队算法的所述N个运动员在本文中被称为构成了“虚拟团队”。活动数据可以从真实的人类运动员的活动、或数字生成的、或从所述两者中得出：也就是说，虚拟团队中的N个联网运动员中的一些或所有人可以是真实的运动员，并且一些或所有人可以是模拟运动员。运动员的模拟通过由计算机214或通过经由网络230与计算机214进行通信的一些计算机设备计算的代码来执行。模拟可以基于通过来自真实运动员的测量得出的或以其他方式得出的参数，并且可以包括随机的方面(例如，模拟桨手的作用力可以以现实非确定性的方式在各次划桨动作之间轻微地变化)。如果M个真实器械上的M个真实运动员正在参与N个成员的虚拟团队，则模拟N-M个团队成员。

[0042] 在团队算法的计算期间由计算机214经由网络230接收的数据典型地包括关于虚拟团队中除真实本地运动员202之外的M-1个真实运动员的活动的实时数据。关于真实本地运动员202的活动的实时数据由计算机214直接从器械204收集。另外，计算机214典型地经由网络230将关于本地运动员202的活动数据传输至器械204正在从中接收运动员活动数据的所述M-1个器械。关于虚拟团队中的模拟运动员的活动的数据可以由锻炼器械的计算机设备(例如，计算机214)本地产生，或经由网络230传送至锻炼器械或在锻炼器械或计算机之间传送，或两者均可。

[0043] 由计算机214计算的团队算法产生被传送至器械204的各种可控制机构(例如，电机210和负载212的各方面)的命令，最终改变运动员202所体验的机械负载。其他M-1个联网的器械类似地计算团队算法来为它们自己的机构计算命令，从而以与器械204的机构相协调的方式影响他们自己的操作者的体验。也就是说，N个成员的虚拟团队中的M个真实运动员的M个器械全部拥有或接收N个运动员的活动信息，并计算N名运动员的负载调节。对于虚拟团队的由真实运动员操作的M个器械，实际地进行物理负载调节；对于N-M个模拟运动员，可以对模拟计算进行调节，以适当地改变对应于每个模拟运动员的作用力数据。本文中描述的测量、计算和装置调节的方法构成闭环控制的形式。

[0044] 基于来自M个真实运动员的真实活动数据和来自N-M个模拟运动员的模拟活动数据来操作的、并且因此修改对于N个成员团队中真实和模拟运动员指定的负载的团队算法被设计成近似出由N个团队成员共同操作的实际运动装置(例如，划艇)的表现。通过改变团队算法的参数，可以模拟各种装置的物理响应(例如，第一类型的四桨手船只、第二类型的四桨手船只、八桨手船只)。参与虚拟团队的真实运动员从他们的锻炼器械中体验到随时间变化的阻力，该阻力以近似出真实物理装置的联合团队操作的方式来反映出其他真实和模拟的团队成员的作用力，即使其他真实团队成员正在物理地操作地理上相距遥远的分离器械。在一个示例中，锻炼器械204是划船机，并且运动员202是参与划动虚拟的四人双桨赛艇(scull)的虚拟团队的桨手。由手柄或桨对运动员202所呈现的阻力将贯穿每次划桨动作和各次划桨动作之间以如下方式发生变化，该方式经由团队算法而取决于运动员202的划桨时机、力量和其他特征，取决所述团队中的其他三名运动员的划桨，并且取决被选为虚拟装置(例如，四人双桨赛艇)的船只模型的特性。

[0045] 此外，操作者接口216的输出典型地与团队算法所确定的团队表现相协调地变化。在一个示例中，接口216包括虚拟现实头戴式耳机，被模拟的虚拟装置是四桨手船只，参与的运动员202体验具有将他们放置于给定水面环境中的虚拟船只中的特定位置的协调音频的虚拟视野，并且运动员202看到的该船只以取决于团队的共同作用力的方式在其环境中移动。一个或多个竞赛虚拟船只(模拟的、或部分地或全部地由真实运动员划动的)可以在感知的环境中呈现出来，并且可以向真实的竞赛运动员提供虚拟现实中的补充的视点。关于个体表现、团队表现、竞赛对手表现和其他变量的定量数据可以选择性地对于个体运动员、教练、团队和其他是可用的(例如，在视觉上)。从运动员和其他各方(例如，教练、观看者)收集的音频、视频和其他数据可以与操作者接口216的输出以各种方式集成，以产生变化的角色、交互性和真实性的虚拟设置，从而能够在运动的心理和物理方面训练运动员。体育观看者可以通过虚拟现实头戴式耳机链接到系统，使得观众能够虚拟地在真实和/或模拟运动员划船的虚拟赛事中出席，其中所有观看者和真实参与者可以在任何程度上地理分离。其他形式的接口协调，例如，同时向虚拟团队中的所有运动员共享教练音频也是预期的，并且在本公开的范围内。然而，所有这些应用详细地描述了，依赖于本公开的各种实施例的能力，以机械地为每个个体锻炼器械用户产生锻炼体验，该锻炼体验反映出器械用户的作用力和其他(真实和/或模拟的)用户同时的作用力。

[0046] 可以将所描述的装置和方法应用于其他类型的锻炼器械。在一个示例中，图2中的锻炼器械204是固定式自行车，无论对于单个骑手或是同时对于使用联网的一组类似的锻炼器械的团队成员而言，其可以模拟出各种地形、来自骑行组件中的不同位置的牵引效果、串座骑行等的真实世界负载条件。在另一个示例中，锻炼器械204是越野滑雪器械，其可以模拟各种地形、风况、积雪类型等。一般来说，任何合适类型的锻炼器械可以采用所描述的装置和方法来增强小组锻炼，并且使得能够使用对于个体锻炼定制的、可能随时间变化的负载曲线。

[0047] 在一些情况下，本公开的实施例的优点可以通过对根据现有技术构建的现有锻炼器械进行修改或改装来实现。图3示出了利用说明性的“改装套件”304对根据现有技术构建的锻炼器械302进行改装。器械302在改装之前与图1中的器械104类似。对应于图1中的器械104的负载机构110的、现有技术器械302的负载机构被移除，并且由包括电机306、负载308、能够与网络230通信的计算机310、以及操作接口314的改装套件304替换。电机306、负载
308、计算机310和接口314的特性如上文参考图2中对应部件所描述的。为了实现改装，通常必须存在适当的传动机构(未示出)，或提供适当的传动机构(例如，作为套件的一部分)以将器械302的惯性机构316联接到套件304的电机306。在一个示例中，划船机的惯性机构包括飞轮，改装套件304的电机306包括旋转发电机，并且可以利用适当的附接硬件采用链轮-链条传动来将飞轮联接到发电机。

[0048] 现在参考图4A，其示意性地示出包括许多个锻炼器械(例如，训练器402)的说明性网络400，每个锻炼器械类似于图2中的锻炼器械204。为简单起见，网络400包括L个物理位置(例如，健身房)，每个位置都有K个训练器(总共N＝L×K个训练器)，每个训练器可能容纳单个运动员。省略号指示没有明确示出的训练器。在图4A的拓扑中，通信路径(例如，路径404)使得每个训练器能够与至少一个另外的训练器通信。应当理解的是，为了清楚起见，图
4A显示了有限数量的锻炼器械通信路径，但是通常来说网络中的每个训练器可以与彼此连接；进一步地，作为众所周知的数学结果，这种排列下可能的通信路径(一个节点直接到另一个节点)的总数为N(N-1)/2。在图4A中的说明性网络拓扑中，在各个训练器的计算能力上运行的软件使训练器能够与彼此进行通信，从而使各个训练器的操作者能够在一个或多个团队中与彼此相关联。例如，在图4A中，训练器402、406、408和410(由较重的轮廓线突出显示)的操作者(例如，运动员或桨手)已经关联为四人团队中。现在，所有的四名团队成员可以在一个共同的虚拟装置(例如，四人双桨赛艇)上同时锻炼。将实时地调整每个团队成员所体验的负载，作为所有团队成员的作用力和所选择的虚拟装置的负载曲线的函数，以近似出参与到联合操作的物理装置的感觉。网络400也可以被称为模拟系统或船员训练模拟系统。

[0049] 图4B示出了网络400(在图4A中最清楚地看到)中的四名成员团队414的另一个示例，为了清楚起见，仅显示团队成员的训练器以及连接他们的通信路径。团队414由训练器402、406、410的操作者和模拟操作训练器416的虚拟操作者构成。可以通过所有三个训练器
402、406、410的计算能力在本地(即，冗余地)计算模拟训练器416的活动数据，或者可以由训练器402、406、410中的任何一个训练器计算并且传送至另外两个训练器。

[0050] 在图5中示意性地示出网络的另一说明性实施例，该网络具有附加细节并具有不同于附图4A和图4B的拓扑。图4A和图4B中的说明性拓扑是分散式的，而图5的说明性拓扑是集中式的：熟悉设备联网和控制领域的人员将容易地想到额外的架构，并且所有这样的架构均是可预期的且在本发明的范围之内。图5的实施例包括船员训练模拟系统500。所述系统500包括具有相关联的真实操作者的一些数量N个的训练器，例如训练器502、504、506。省略号指示没有明确示出的训练器。训练器502典型地是系统500所包括的训练器。训练器502的计算机设备508运行被称作船员应用(Crew App)的程序(应用程序、应用)510。程序510实现团队算法(未示出)、管理与训练器502的操作者的交互的用户接口512、处理与网络516(其对应于图2中的网络230)的交互的通信和媒体接口514、以及其他功能。在图5的说明性系统500中，网络516为因特网，并且计算机设备508经由标准无线技术(例如，Wi-Fi、蓝牙)与网络516通信。各种训练器(例如，训练器504、506)独立地且同时地与网络516通信；连接到网络516的训练器的数量N典型地随着训练器登入和登出系统500而随着时间增加和减少。在一个示例中，只有操作者占用的训练器将被登入，即与网络516进行主动通信。训练器可以通过网络516与彼此直接通信，或者可以仅仅或主要地通过服务器518的代理与彼此通信，该服务器518也与网络516通信。所述服务器518可以是计算设备(例如，笔记本电脑，台式计算机，平板电脑)，其能够监督训练器的协同、训练器与操作者之间的通信、虚拟装置的团队操作的模拟、其他模拟任务(例如，虚拟现实生成)、以及与系统500的操作有关的数据(例如，与模拟训练跑步和竞赛的行为有关的数据)的存储、检索和生成。在各种实施例中，服务器518并非是单一的计算设备(例如，笔记本电脑)；也就是说，其计算和数据存储能力可以由多个设备冗余地或以分布式(例如，云计算)方式来实现，其中这样的多个设备可以包括训练器所包括的计算机设备。因此，由将服务器518表示为图5中的单一设备并不意图限制。服务器518包括实现对一个或多个数据库访问的数据库层520(例如，操作者数据库522(记录与真实和模拟的个体操作者相关的信息))、教练数据库524(记录与教练或其他协同系统用户相关的信息)、装置数据库526(包含与虚拟装置相关的信息)、以及可能的其他数据库528，如图5中省略号所示，其可以包含任何视为与系统500的行为相关的数据(例如，测量的个体训练器的机械特性、与模拟赛事相关的结果和统计数据)。

[0051] 服务器518包括实现系统500的各种功能方面的软件程序。这些程序可以包括数据库应用530，其维护数据库层520的内容并根据需要来检索提供给训练器和其他设备的信息；计算团队算法的模拟应用532，计算模拟操作者的活动并执行其他计算任务；管理应用534，其使得主用户能够在操作管理级别上进行操作；开发者应用536，其使得能够访问系统的应用编程接口以用于应用开发；以及权限管理(root)应用538，其使得能够对其他用户类别的主控制并且访问包含在数据库层520中的所有内容。在各种实施例中，在说明性系统
500中由数据库层520和应用530、532、534、536和538实现的功能是由以不同方式组织成的一组应用或软件模块来实现的。此外，系统500可以包括一个或多个附加的计算设备，例如向“教练”提供授权访问的教练设备540，“教练”即具有协调、管理或监督权力的用户。所述教练设备540在各种实施例或在系统500的操作模式中可以是训练器(例如，训练器502)的计算机设备、笔记本电脑或台式计算机、或移动计算设备中的一个。网络516还可以与其他网络以及与其连接的设备进行通信。

[0052] 在系统500的说明性操作模式中，与服务器518通信的教练设备540被授权与登录到系统500的N个训练器的一些子集协作。例如，教练设备540可以是大学中的被授权访问系统500以作为付费订阅服务的一部分的有限数量的教练设备中的一个。教练设备540的用户用其计算机设备上运行的软件能力来选择P个训练器(即N个训练器的子集)的操作者作为虚拟团队的成员。教练设备540的用户还指定特定的虚拟装置，并且可能地指定将影响该运行的负载曲线的其他状况(例如，赛事拓扑、风况、赛事持续时间)。服务器518利用模拟期间被设置和/或更新的以反映由教练设备540传输的选择和其他相关变量(例如，特定于训练器的机械特性)的参数并且采用来自P个团队成员的活动数据作为输入，来建立计算模型(例如，团队算法)。该运行开始于来自教练设备540的信号或者开始于设定时间，自此，来自P个训练器的活动数据开始通过网络516被传输至服务器518。服务器518基于虚拟装置的各种参数和接收的活动数据来通过计算对虚拟装置的行为建模，并相应地对于所述P个训练器中的每一个传输指示以修改训练器操作者体验的负载(例如，通过增加或减少到发电机绕组的电流)。该运行终止于另一个信号或时间。服务器518在其数据库层520中记录在该运行过程期间由服务器518接收或生成的所有数据，其可以包括来自训练器的活动数据、可能已经通过网络516从活动监测器传输的操作者的生理测量数据、赛事结果等等。

[0053] 与图4中的拓扑的N(N-1)/2个信道相反，图5中的拓扑需要N的阶数(order)个通信信道。

[0054] 可以使用图4A或图5的拓扑组成的不同虚拟团队的数量随着N迅速增长。通过二项式定理，在不考虑顺序的情况下可以从N个操作者中指定的规模为P的可能团队的数量(即，规模为P的组合的数量)由二项式系数N！/(P！(N-P)！)给出。然而，在许多运动中，团队成员排序确实很重要(例如，在船员就座于船上的情况是重要的)；在这样的运动中，在考虑顺序的情况下可以从N个操作者中指定的规模为P的团队的数量(即，规模为P的排列的数量)是NP。因此，本公开的实施例使运动员(包括单个设施处的运动员以及广泛分离的设施处的运动员)能够在可能非常大量的各种规模的虚拟团队中快速且容易地组合和重组，并在实际上无限数量的虚拟装置上以及在虚拟环境中锻炼。现有技术不能以可实践的形式提供这种能力(现有技术要求运动员在共同的位置集合以作为团队练习，并联合地操作大型多用户训练装置或在现场操作实际运动装置，以作为团队训练)。本公开的实施例的组合性的团队形成能力呈现了许多优点：例如，教练能够容易地选拔出多个团队排列，以看出在指定的环境状况下、使用指定的运动装备等情况下哪个团队最具竞赛力。

[0055] 在系统500的另一个说明性操作模式中，可以一次由一个或多个教练从N个可用的训练器(假设足够大的N)之中组成一个以上的虚拟团队，并将该一个以上的虚拟团队设置为在虚拟赛事中相互竞赛。每个团队的运行的模拟可以独立于每个其他团队的运行的模拟而发生，或者模拟应用程序532可以包括提供对虚拟环境中团队的交互进行的建模。

[0056] 在系统500的另一个说明性操作模式中，可以由服务器518模拟一个或多个虚拟团队的一个或多个团队成员。在一个极端情况下，所有参与的运动员都是真实的，并且不采用模拟运动员；在各种混合情况下，采用一名或多名真实运动员和一名或多名模拟运动员；在另一个极端情况下，所有的运动员都是模拟的。系统500的后一种操作模式可以用于教练的训练，以用于调查各种风格的队形和竞赛策略和其他目的。

[0057] 图6A示意性地在侧视图中示出本公开的说明性实施例的包括划船机600的各部分。划船机600由桨手602操作，并且包括活动座604、踏脚板(支撑)606、手柄608、连接结构610(仅部分示出)、用户接口设备612以及保护壳体614。划船机600还在保护壳体614内部包括飞轮616、发电机618、附接到所述飞轮616的第一链轮620、环链622、附接到发电机618的第二链轮624、电力负载组626、将电力从发电机618传送到电力负载组626的电线628、冷却电力负载组626的风扇630、以及计算机设备(控制器)632。控制器632配备有使得控制器632能够通过网络(图5中最佳可见)与其他设备通信的无线通信能力634(例如，Wi-Fi或蓝牙)，所述其他设备例如是与器械600类似的划船机或连接到网络的各种计算装置，诸如服务器。
手柄608和连接结构610(可拉动的绳索或链条)经由标准的力传动机构(未示出)与飞轮616连通，使得桨手602产生的力促使飞轮616运动(即，在划桨进行期间)。也就是说，桨手602通过拉动手柄608而将力矩Tathlete施加到飞轮616。对飞轮616加速的阻力是通过其惯性矩并且通过施加到飞轮616的任何制动力矩来确定的，所述制动力矩例如是经由链轮620施加的力矩。因此，例如，发电机618经由链轮624、链条622和链轮620将力矩负载传动给飞轮，从而增加了对飞轮616加速的阻力。随拉动阻力增加，桨手602感觉到对飞轮616加速的阻力增加。

[0058] 划船机600是说明性的：本领域技术人员将知道的其他配置是可能的。在图6A的说明性实施例中，发电机618是交流发电机。为了清楚起见，图6A中未示出器械600的各种传感器、电线和其他部件。

[0059] 再次参考图6A，锻炼器械600的一个特定示例可以是如上所述的划船机。锻炼器械600包括环状(cyclical)致动器608，其可以是手柄。在一个示例中，手柄可以被配置为复现典型的船只(诸如多桨手轻型赛艇)上使用的桨的手柄。环形致动器608可移动地安装到锻炼器械600。

[0060] 再次参考图6A，根据本公开的锻炼器械的说明性示例可以是如上所述的划船机600。对应于说明性器械600的一些部分的组件可以由根据如下公开的各种其他实施例的锻炼器械组成。图6A的手柄608通常可以被理解为环形致动器，该环形致动器在各种实施例中可以采取各种形式。在一个示例中，环形致动器被配置为复现典型的船只(诸如多桨手轻型赛艇)上使用的桨的手柄。通常，环形致动器经由连接结构可移动地耦接到锻炼器械(例如，划船机600)。

[0061] 根据本公开的各种锻炼器械包括机械能储存设备，例如，器械600的飞轮616。(机械能储存于包括运动员的锻炼系统的所有移动部件中，但是本文中短语“机械能储存设备”指代主要功能是储存机械能的设备)。在图6A的示例中，机械能储存设备是安装到锻炼器械600的飞轮616：连接结构610(绳索)可操作地将环形致动器608(手柄)连接到机械能储存设备616(飞轮)。

[0062] 应当理解的是，机械能储存设备可以包括飞轮616以外的结构。例如，具有足够的惯性的马达可以当作飞轮616和发电机618两者。还可以预期其它的机械能储存设备。

[0063] 在各种实施例中，各部分(环形致动器、连接结构、机械能储存设备)的这种关系可以通过各种机构来实现。在一个示例中，可以使用任何合适的连接结构(例如，带子、绳索、链条、杠杆、摩擦轮、踏板曲柄臂)，该连接结构提供环形致动器(例如手柄、踏板、滑雪板)与机械能储存设备(例如，飞轮、弹簧、可移动负重、移动流体)之间的物理连接。在一个示例中，连接结构可以被配置为像船上的桨一样被致动。在另一个示例中，连接结构可以直接放置在操作者的前方并且被向后拉动，如图6A所示。连接结构的其它示例包括以下多个部件以及部件的组合，诸如齿轮、转轴、轴、连接杆等。不管连接结构的物理构成如何，该连接结构都以使得环形致动器的运动促使机械能储存设备的运动(例如，飞轮的旋转)的方式对由锻炼器械的操作者生成的力进行传动和/或转换。

[0064] 在根据本发明的一些实施例的说明性类别的划船机中，连接结构包括上轴。该上轴可以直接地或经由连接结构的部分可操作地连接到环形致动器(即，手柄)，使得操作者的划船动作促使上轴旋转。该上轴被安装到飞轮，使得该上轴的转动促使飞轮旋转。传动机构将飞轮连接到下轴，该下轴连接到发电机。手柄、连接结构、飞轮、这两个轴以及耦接这两个轴的传动机构的各个部件可以统称为传动系(drivetrain)，以将来自操作者的运动传动至发电机。在这个示例中以及在各种其他实施例中，发电机618可以是任何合适的装置，包括但不限于：他励电机(SEPEX)、交流(AC)感应、永磁交流(PMAC)、无刷直流电动机(BLDC)等。另外，所描述的部件仅仅是传动系的一个示例，并且根据本公开的各种实施例的锻炼器械可以采用任何合适的传动手段。

[0065] 继续讨论前文的示例，说明性类别的锻炼器械中的锻炼器械(例如，图6A的器械600)包括具有连接到下轴的可旋转轴的发电机618。发电机618的可旋转轴是下轴。发电机通过传动系可操作地连接到飞轮616，使得上轴和/或飞轮616的旋转促使发电机618中的可旋转轴旋转。发电机轴上的电机的旋转产生电信号。在说明性类别的器械中的一些构件中，发电机618是交流发电机，其产生可以被转换成直流(DC)的AC的电信号。要注意的是，在包括电机的各种实施例中可以使用任何合适的发电机。另外，根据各种实施例的说明性类别中的锻炼器械可以包括与发电机618和阻性负载组626电通信的转换器(例如，整流器)。在一个示例中，转换器将从交流发电机输送的AC电信号转换为传送到电力负载组的DC电信号。在说明性类别的其他构件中，转换器可以集成到交流发电机，使得交流发电机输送DC电信号输出。

[0066] 在说明性类别的示例性构件中，阻性负载组626被配置为补充飞轮616的负载阻力。阻性负载组626与发电机618电通信。阻性负载组626可以被认为是“电枢回路”的一部分。在说明性类别的器械的另一个示例性构件中，线束将电信号从发电机618输送到电力负载组626，并且电信号在电力负载组626处典型地通过产生热量来消耗。在一个示例中，电力负载组626中产生的热量可以使用至少一个风扇630来消耗。风扇速度的速率可以与通过电力负载组626的平均电力负载成比例。

[0067] 此外，电力负载组626可以包括各种不同的结构，以实现将由桨手602输入到发电机618的物理做功产生的电能加以消耗的目标。在一个示例中，电力负载组626可以包括串联的电阻器，其消耗由发电机618产生的电信号的至少一部分。在另一个示例中，电力负载组626可以包括电阻元件和电容元件的组合。在又一个示例中，电力负载组626可以包括热电发电机。热电发电机可以有利地减小电力负载组626的整体尺寸并且向电力负载组626提供电冷却。

[0068] 在图6B中示意性地阐明了根据本公开的各种实施例的多个划船机之中的典型的划船机600的操作性组织，其中为了清楚而省略了从控制器632到交流发电机618、负载组626和其他部件的控制路径，并且增加了各种实施例包括的但在图6A中未示出的若干部件。
具体地，如图6B所示，交流发电机618的电力输出可以通过电转换器636来传送。电转换器
636可以包括AC/DC转换器和/或DC/DC转换器，并且所得到的DC电力可以在负载组626中被消耗和/或被用来对电池638(例如，12伏、密封铅酸电池或15伏锂离子电池)进行充电，这里理解为包括适当的充电机构，该充电机构可以进而对控制器632、用户接口或显示设备612、交流发电机618的一个或多个绕组以及可能的其他装置进行供电。借助于电转换器636和电池638，划船机600就其电力设备而言可以被制成自供电的。在各种实施例中，电转换器636可以集成到交流发电机618，使得交流发电机618输送DC电输出信号。为了简单起见，图6A中示出的说明性锻炼器械600不包括转换器636或电池638。

[0069] 再次参考图6A的说明性器械600，提供了对锻炼器械600的多个操作变量的测量数据(但为清楚起见，未在图6A中示出)的获取，下文将更具体地描述。这些数据被传送(例如，通过电线)到控制器632，控制器632可以与各种可调参数和存储在存储能力中的团队算法相配合地使用这些数据，来计算团队算法。如将要描述的，团队算法的输出被控制器632使用，以改变桨手602所体验的负载。例如，当桨手602拉动手柄608时，该动作使飞轮616移动，飞轮616继而使交流发电机618旋转以产生由负载组626消耗的电信号。可以使用由控制器632计算的算法来模拟各种划船装置的真实世界条件，各种划船装置包括但不限于：单人双桨赛艇、双人双桨赛艇、四人双桨赛艇、双人单桨赛艇(sweep)、四人单桨赛艇和八人单桨赛艇。

[0070] 下文的讨论将首先集中于对孤立的器械600的用户提供特定的负载曲线，即，集中于不包含来自其他训练器或来自模拟操作者的活动数据的操作状态。尽管为了说明和清除而参考图6A的器械600进行的该讨论，但是对熟悉工程科学的技术人员将清楚的是，所阐明的原理将通过适当的调整同样适用于各种其他实施例。

[0071] 首先，要注意的是，由桨手602在任何时刻产生的作用力都可以由桨手602经由连接结构610在飞轮616上施加的瞬时力矩Tathlete表征。可以从两个方面考虑力矩Tathlete，即：实际或测量的Tathlete和目标或期望的Tload。实际的Tathlete是由桨手602产生的；目标Tload是数值计算的量，其为锻炼器械600在典型操作中响应于锻炼器械600的状态改变而将继续产生的。通常，桨手的目标是以特定速率划船(在团队背景下，该速率在理想情况下与队友划船是同步的)：例如，在起步期间产生一定速率的加速度，或者在航行阶段期间保持一定的速度。另外，在锻炼器械600中，飞轮616的旋转速度ω类似于船只速度：即，在给定的ω下转动的飞轮616的角动量类似于在给定的速度下移动的承载船员的船只的线性动量。类似地，为了增加或保持飞轮616的旋转速度ω所需要的作用力(Tathlete)是通过飞轮616的惯性矩J并且通过飞轮616上的任何力矩负载来确定的，并且该作用力类似于为了增加或维持船只的速度所需要的作用力，所述增加或维持船只的速度所需要的作用力是通过船只和船员的惯性并且通过船只上的任何流体阻力来确定的。在此情况下，控制器632的功能可以如下陈述：要求桨手602在当桨手602试图维持一定的力量输出时的实际Tload与计算出的、反映假设物理状况的目标Tload相匹配。这些假设的物理状况是通过在假设的物理环境中移动的假设的装置(例如，船型的装置)来确定的。本文中，我们将该装置和环境的数字表征称为“负载曲线”。因此，目标Tload一般是负载曲线和锻炼器械600的操作状态二者的函数，所述锻炼器械600的操作状态包括实际的Tathlete、ω和对桨手602所体验到的负载有所贡献的所有可设定和/或固有的负载。用来设定锻炼器械600中的可设定负载的数值可以受到桨手602和在其他器械上真实的或模拟的其他桨手的测量到的活动的影响，因此，本公开的各种实施例的能力用来对于在物理上分离的锻炼器械上的桨手产生联合训练的体验。这些一般性的考虑以及参照示出为划船机的说明性的锻炼器械600所讨论的其他考虑将被理解为也适用于其他形式的锻炼器械和运动装置。本公开现转向由说明性的锻炼器械600采用的闭环控制方法的部分。

[0072] 熟悉电机的人员将会清楚，交流发电机(例如，交流发电机618)的励磁可以通过励磁绕组的励磁电流的脉宽调制来控制，也就是说，通过以固定的频率但具有可变的占空比来导通和关断励磁绕组电压进行控制。锻炼器械600因此可以通过改变脉宽调制电压源的占空比来调节交流发电机618的平均励磁电流，其进而影响由交流发电机618施加在飞轮616上的力矩负载，并因此影响桨手602体验的负载。为了实现这一点，控制器632计算出桨手602施加给飞轮616的力矩值Tathlete的估计值。Tathlete的计算基于器械操作的若干测量变量以及表示锻炼器械600的物理特性的一组预记录的变量。在各种实施例中，可以使用各种算法模型来执行计算。在一个示例中，传感器监测交流发电机618的电枢电压Varm、交流发电机的励磁电路中的励磁电流Ifld，以及飞轮616的旋转速度ω。飞轮616的旋转加速度α可以通过飞轮旋转速度ω的重复的测量值来估计。此外，交流发电机618的电枢电流Iarm可以基于感测到的电枢电压Varm的值来计算。在一个示例中，交流发电机618的功率输出可以在零(0)到一(1)千瓦之间。

[0073] 锻炼器械600的编程的物理特性可以包括电力负载组的电阻Rload(在各种实施例中可以是可控的量)；励磁电路的电感Lfld；励磁电路的电阻Rfld；电枢电阻Rarm；电枢电感Larm；电枢与励磁电路38之间的互感Laf；飞轮616的惯性矩J；以及多个传动系阻尼系数，例如，b0、b1和b2，之所以称之为传动系阻尼系数是因为它们出现在与ω的幂成比例的力矩项中。Laf、J、Rarm、Rfld、Rload、b0、b1和b2的值是在锻炼器械600的设计期间初始确定的系统特性，并且可以在校准过程期间或在制造过程结束时或接近制造过程结束时或在随后的时间针对每个单独的锻炼器械600对这些值细化。

[0074] 在一个示例中，控制器632可以使用所描述的值来使用以下公式计算所施加的力矩值Tathlete的估计值，该估计值可以是机械力矩Tmech和电力矩Telec之和：

[0075] 公式1：Tathlete＝Tmech+Telec

[0076] 其中，Tmech为惯性项和若干阻力项的总和，即：

[0077] 公式2：Tmech＝(J×α)+b0+(b1×ω)+(b2×ω2)

[0078] 并且其中

[0079] 公式3：Telec＝Laf×Ifld×Iarm

[0080] 注意，如上所述，Telec与Ifld成比例，其中Ifld是可容易控制的量。另外，可以通过改变电力负载组的净电阻来改变Iarm。

[0081] 应该理解的是，公式1-3仅为说明性的，并且可以采用附加的或其他的变量和公式来估计Tathlete，并且可以感测其他或附加的变量以实现相同的目的而不脱离本公开的精神。例如，可以感测或测量电枢电流Iarm，并直接将其用于上述Telec公式，而不用先感测或测量Varm然后使用欧姆定律来计算Iarm。感测或测量任何数量的变量均是本公开所预期的。电气工程领域的技术人员将容易地理解上述计算，并且还可以测量各种变量以用于各种计算中以实现相同的目的。

[0082] 将Tathlete的计算值(例如，划船活动；由运动员实际施加的力矩)应用于期望的负载曲线(例如，特定装置的数字模型)的动态模型，以达到操作者应当体验的适当负载。然后参考锻炼器械600本身的动态模型，用于将期望的负载转换成适当的致动命令。出于本公开的目的，适当的致动命令可以是由控制器632采取的以选择性地修改锻炼器械600的操作者所体验的负载的任何数量的动作。

[0083] 在一个示例中，控制器632可以改变在以上所示的Tmech和Telec表达式中的一个或两者中使用的至少一个值。改变这些公式中的至少一个值会改变操作者体验的负载。例如，控制器632可以改变Tmech公式中J、b0、b1或b2值中一个或多个的值，使得锻炼器械600就像真实的船只一样；或者，如上所述，可以改变Ifld和/或Iarm。相比之下，根据现有技术的划船设备仅在物理地(通常是手动地)移动阻尼器以增加或减少用于空气通道的暴露面积，使得被风扇加负载的飞轮将其操作点在作为主要惯性负载(阻尼器100％闭合)与主要作为泵(阻尼器100％打开)之间的连续区上换挡(shift)时，才可以改变对桨手的力矩负载。在本公开的各种实施例中采用的负载控制的闭环方法允许以电子式的速度改变操作者负载，并且因此有利地允许对快速换挡、缓慢换挡和恒定的真实世界负载的模拟。

[0084] 此外，各种实施例的装置和方法使得控制器632能够改变操作者所体验的力矩负载，以与选择的模拟装置曲线相匹配。在一个示例中，所计算的Tmech必须基于选择的曲线和训练器操作状态来弥补Telec与所期望的力矩负载Tathlete之间的任何差异。如公式2所示，Tmech的值是飞轮616的速度和加速度的函数。为锻炼器械操作者(例如，桨手602)提供不同负载的一种方法是对于飞轮616的给定速度改变至少一个阻尼系数，然后改变Ifld和Iarm中的至少一个来改变Telec，使得Tathlete的实际值等于或基本上等于Tload的期望值。

[0085] 此外，控制器632可以被编程为在任何数量的实际船只或锻炼器械上复现操作者感觉到的负载。在一个示例中，所描述的锻炼器械600可以模仿已知的划船机的感觉。在其他示例中，所描述的锻炼器械600可以模仿任何数量的实际船只的感觉，诸如之前提到的单人双桨赛艇、双人双桨赛艇、四人双桨赛艇、双人单桨赛艇、四人单桨赛艇或八人单桨赛艇。锻炼器械600可以拟任何数量的其他船只、锻炼设备等，其中每个所模仿的设备由可以存储于控制器的存储器中的不同曲线来表示。每个曲线都可以包含任何数量的J、b0、b1和b2值的改变。

[0086] 在一个示例中，用于模仿特定设备的过程可以如下描述。在该算法中的动态模型如上面所示的Tmech公式中所表示。该模型可以类似于一些现有的、提供了对划离水面的相对接近近似的划船机。然后，控制器632进行计算，以将由操作者感觉到的负载与就像操作者在特定的船只中在水面上划船将会感觉到的负载相匹配。然后，控制器632将得到的负载(例如，Tathlete)施加到Tmech公式的动态模型。控制器632可以包括用于惯性J以及他励电机618的阻尼系数b0、b1和b2的存储器分配。

[0087] 例如，可以指定、设计和/或构造具有特定的惯性值J的飞轮616。在一些示例中，b0、b1和b2阻尼系数几乎可以忽略。另外，在一些示例中，可以存在附加的阻尼系数；然而，这些术语通常不足以实质上地影响计算结果。然后，控制器632将使用Laf，J、b0、b1和b2的常数来计算Tathlete的值(操作者感觉到的负载)。

[0088] 然后，控制器632访问由操作者选择的特定期望曲线(例如，四人双桨赛艇)的期望力矩值。因为控制了Telec，所以控制器632将进行计算以用新的Tmech值来增加Telec值，使得Tathlete等于或基本上接近于期望曲线的期望力矩值。在一个示例中，控制器632使用相同的Tmech和Telec公式，除了新的惯性和阻尼系数值取代之前的值，例如，公式可以使用J’、b0’、b1’和b2’而不是J、b0、b1和b2来计算Tmech的值。然后，控制器632将Telec和新的Tmech力矩值相加以确认实际Tathlete是否等于或基本上接近期望Tathlete。如果不是，则控制器632可以使用另一组惯性和阻尼系数来重新计算Tmech。该过程可以在控制器内继续，直到得到适当的Tathlete值。

[0089] 然后，控制器632将已知惯性和阻尼系数应用于Tmech公式，以使锻炼器械600“感觉就像”所选的装置(例如，四人双桨赛艇)。每个实际的装置在水面上移动得非常不同；例如，应理解的是，单人装置可以表现出相对快的加速度值并且在水面上具有相对较低的最高速度。另一种装置，例如八人装置，可以表现出较慢的加速度并且具有较高的最高速度。上面所示的Tmech公式可以用适当的J、b0、b1和b2值来模仿每个装置及其各种特性。

[0090] 从上面的公式可以理解，操作者体验的力矩负载(Tathlete)是电枢处的电流(Iarm)以及通过励磁电路的电流(Ifld)的函数，Iarm可以在测量或感测Varm之后计算，Ifld为闭环控制变量。控制器632不断地测量和调整Ifld调制器以产生期望的Tathlete。在一个示例中，如果Ifld高于复现所选择的曲线所需的值，则控制器632可以降低IfId的占空比以降低平均(有效)Ifld。类似地，如果Ifld的值太低，则控制器632可以增加占空比。控制器632可以以相对短的时间间隔监视和调整Ifld，从而根据需要调整Ifld。以此方式，对Ifld进行控制使得锻炼器械600可以近似出如上所述的各种划船装置的真实世界的状况。

[0091] 再次参考图6B，在一个示例中，其中锻炼器械在至少一些操作模式下是自供电的，电池638可以向控制器632提供电力。此外，当桨手602开始操作锻炼器械时，电池638可以在相对较短的时间内向交流发电机618的励磁电路提供电力。一旦操作者602开始移动连接结构610(例如，通过划船)，电转换器636将补充从电池638中被移走的电荷，同时操作者602在锻炼时段期间完成一个或多个划桨动作。在一个示例中，可以在电信号到达电力负载组626之前将电能从电机618的电路转移，并且可以将转移的电能供应给电池638。在另一个示例中，电池638可以从电力负载组626抽取电力以保持充电。作为替代方式，可以使用标准壁式电源(例如，110伏供电，未示出)向电池638提供电力。在又一个示例中，电池充电器可以从标准壁式电源和由操作锻炼器械600产生的电能的组合中接受电力供应。

[0092] 锻炼器械600可以与至少一个另外的相关联的锻炼器械(例如，经由图4A中的直接互连拓扑、图5中的集中式拓扑、或一些其他拓扑)进行通信。锻炼器械之间的通信可以提供让多个操作者在多台器械上对有效共享的负载进行锻炼的益处。例如，在一个位置的操作者可以操作设定为期望负载曲线的锻炼器械来复现四人双桨赛艇，而三个另外的操作者可以操作具有相同的期望负载曲线的三个另外的锻炼器械，每个操作者对相同的负载做功。在一个示例中，锻炼器械600与三个相关锻炼器械中的每一个交换活动数据，并且该数据可以被合并于控制器和/或服务器计算中，以实现期望的闭环控制特性。

[0093] 各种合适的算法可以合并各种数据项(包括来自多个器械的活动数据)，以利用本公开的装置和方法实现期望的闭环控制特性。在器械600实际上是以小组训练的方式虚拟地组合的P个可类比的锻炼器械(例如，具有类似飞轮)中的一个锻炼器械的示例中，可以使用以下公式，使用飞轮616的惯性J和飞轮616的期望加速度αdes计算作用在飞轮616上的净力矩Tnet：

[0094] Tnet＝J×αdes

[0095] 求解期望旋转加速度αdes，得到：

[0096] αdes＝Tnet/J

[0097] 如果P个器械的飞轮的期望旋转速度是ωdes，那么，相对于时间进行积分，[0098] ωdes＝∫αdes

[0099] 这可以与来自每个相关联的锻炼器械的所有已知施加的力矩结合，以使用期望的阻尼系数b0des，b1des和b2des来确定飞轮的期望旋转速度ωdes：

[0100] 公式4：ωdes＝∫((Tcrew–{b0des+(b1des×ω)+(b2des×ω2)})/Jdes)

[0101] 在公式4中，Jdes为期望飞轮惯性，ω为飞轮的实际旋转速度，并且

[0102] Tcrew＝ΣTathlete(i)/P,i＝1,...P

[0103] 其中，Tathlete(i)为P个运动员中的第i个运动员施加的力矩。

[0104] 以上描述中的Tnet是期望的Tload，并且，可以适当地对于任意数量的运动员计算Tcrew项。

[0105] 公式4可以用来直接执行闭环速度控制。可以应用任何数量的闭环控制方法来实现期望的闭环控制特性。闭环控制方法的示例可以包括但不限于：比例积分微分控制、滞后补偿、h-无穷、状态空间等。

[0106] 通过本公开的上述以及各种其他实施例实现的许多活动是现有技术完全不能实现的，或者是现有技术不太方便或更昂贵地实现的。本文呈现说明性用例的非穷尽列举，以说明本公开的实施例的高度灵活的潜在性：

[0107] ●运动员可以在一个孤立的锻炼器械上不使用负载曲线而以固定的负载水平进行锻炼(虚拟仪器)：也就是说，运动员可以像在典型的现有技术的器械上一样参与正常独立的器械锻炼。

[0108] ●运动员可以在模拟特定运动装置的负载曲线的孤立的锻炼器械上运动。

[0109] ●运动员可以在联网的锻炼器械上锻炼，作为在其他锻炼器械上联合操作特定虚拟装置的其他真实运动员的虚拟团队的一部分，其中所涉及的运动员可能处于距彼此不同的地理距离。

[0110] ●运动员可以作为虚拟团队的一部分进行锻炼，所述团队的其他成员中的一个或多个是模拟的。

[0111] ●可以通过操纵适当的软件将运动员组合和重新组合到操作各种虚拟装置的各种不同规模的各种团队中，并且/或者将运动员在给定的虚拟装置中的虚拟位置之间移动。

[0112] ●真实运动员的虚拟团队可以与一个或多个虚拟团队竞赛，所述虚拟团队的成员可以是部分或全部真实的或部分或全部模拟的。

[0113] 已经描述了本公开的前述实施例，对于本领域的普通技术人员将显而易见的是，可以使用包含在此公开的概念的其他实施例，而不脱离本公开的精神和范围。所描述的实施例在所有方面都被认为仅是说明性的而非限制性的。